CN107367094B - 用于空调系统的变频器的控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于空调系统的变频器的控制装置和方法。根据本公开的一个实施例，一种用于空调系统的变频器的控制装置，变频器适于向空调系统的压缩机的电机提供电力以使电机旋转，控制装置包括：确定单元，其被配置成基于压缩机的电机的转速与表征电机的输入或输出的参数的值范围之间的对应关系，确定与压缩机的电机的当前转速相对应的当前值范围；以及控制单元，其被配置成基于参数的当前值相对于当前值范围的位置，控制变频器向电机提供的电力以保护压缩机。控制装置和方法能够保护压缩机，保证其在安全范围内作业。

Description

用于空调系统的变频器的控制装置和方法

技术领域

本公开总体上涉及壳体系统，具体地，涉及一种用于空调系统的变频器的控制装置和方法。

背景技术

空调系统是常见的温度调节、温度控制系统。诸如涡旋式压缩机的压缩机是空调系统的主要部件。涡旋式压缩机具有高效、低噪声、运行平稳的特点。压缩机从吸气口吸入低温低压的制冷剂气体，通过电机将所吸入的压缩后，向排气口排出高温高压的制冷剂气体。

在诸如电机运行过载、电机损坏、制冷剂泄漏、制冷剂过多、系统环路被异物污染等的情况下，压缩机会处于故障模式。

另外，压缩机通常是空调系统中成本最高的部件。

因此，本领域有从驱动技术上保护压缩机、防止其在非安全作业范围之外工作、保证其在安全范围工作的需要。

现有技术CN102105756A公开了一种对运输制冷系统的连续压缩机作业范围进行保护的方法。其基于多个传感器测量的参数(排出温度Td、吸收温度Ts、排出压力Pd、吸收压力Ps)来进行压缩机作业范围的保护。在该现有技术中：使用了较多的传感器，增加了产品的成本；在系统完成调整(如增强冷凝风扇气流)时，该方法不能自动将转速恢复到系统控制器所要求的期望转速。

发明内容

在下文中将给出关于本公开的简要概述，以便提供关于本公开的某些方面的基本理解。应当理解，此概述并不是关于本公开的穷举性概述。它并不是意图确定本公开的关键或重要部分，也不是意图限定本公开的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

根据本公开的一个方面，提供了一种用于空调系统的变频器的控制装置，变频器适于向空调系统的压缩机的电机提供电力以使电机旋转，控制装置包括：确定单元，其被配置成基于压缩机的电机的转速与表征电机的输入或输出的参数的值范围之间的对应关系，确定与压缩机的电机的当前转速相对应的当前值范围；以及控制单元，其被配置成基于参数的当前值相对于当前值范围的位置，控制变频器向电机提供的电力以保护压缩机。

根据本公开的另一方面，提供了一种用于空调系统的变频器的方法，变频器适于向空调系统的压缩机的电机提供电力以使电机旋转，方法包括：基于压缩机的电机的转速与表征电机的输入或输出的参数的值范围之间的对应关系，确定与压缩机的电机的当前转速相对应的当前值范围；以及基于参数的当前值相对于当前值范围的位置，控制变频器向电机提供的电力以保护压缩机。

根据本公开的控制装置和方法，可以实现以下有益效果至少之一：保护压缩机和电机，保证它们在安全范围内作业；自动调整电机的转速和电力输入，避免发生故障跳闸；在允许的情况下自动恢复原始命令转速。

附图说明

本公开可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分。在附图中：

图1是根据本公开的一个实施例的空调系统的示例性框图；

图2是根据本公开的一个实施例的用于空调系统的变频器的控制装置的示例性框图；

图3是一个示例性的压缩机的作业范围图；

图4是一个示例性的三维作业范围图；

图5是根据本公开的一个实施例的关于转速的输出转矩范围图；以及

图6是根据本公开的一个实施例的用于空调系统的变频器的方法的流程图。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本公开的示例性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施例的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中可以做出很多特定于实施例的决定，以便实现开发人员的具体目标，并且这些决定可能会随着实施例的不同而有所改变。

在本文中，在可行的情况下，实施例可以相互组合、不同实施例之间的特征替换或借用、在一个实施例中省略一个或多个特征。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本公开，在附图中仅仅示出了与根据本公开的方案密切相关的装置结构，而省略了与本公开关系不大的其他细节。

应理解的是，本公开并不会由于如下参照附图的描述而只限于所描述的实施形式。

下面描述根据本公开的一个实施例的空调系统的总体结构。

图1是根据本公开的一个实施例的空调系统100的示例性框图。空调系统100包括：系统控制器101、变频器103以及压缩机105。系统控制器101控制空调系统的总体运行，如向变频器103提供原始命令转速r_o。其中，r_o是根据室内外温度计算得到的转速，电机10501可以r_o旋转。变频器103适于向压缩机105的电机10501提供电力，具体而言，变频器103对输入的电力进行转换，将转换后的电力提供给压缩机105的电机10501，从而控制电机的运行，尤其是控制电机的转速。电机10501为交流电机，其被施加交流电力后，会根据诸如电流i、电压V、PMW占空比C等电力参数而以一定的转速r旋转，以压缩吸入的制冷剂气体。此时,压缩机的吸气口具有蒸发温度Te，排气口具有冷凝温度Tc。可见，在时刻t，压缩机具有以下描述参数：压缩机的电机的转速r、压缩机的电机的输入电流i、压缩机的电机的输入电压V、压缩机的电机的输入PWM占空比C、压缩机的冷凝温度Tc、压缩机的蒸发Te。变频器103的控制装置1031会根据输入的参数，控制对电机10501提供的电力，以实现以下有益效果至少之一：保护压缩机105；保证压缩机105在安全范围内作业；自动调整电机的转速和电力输入，避免发生故障跳闸；在允许的情况下自动恢复原始命令转速。

以下描述根据本公开的变频器的控制装置。所提及的控制装置的结构、工作流程适用于图1中的控制装置1031。

图2是根据本公开的一个实施例的用于空调系统的变频器的控制装置200的示例性框图。

控制装置200包括：确定单元201和控制单元203。确定单元201被配置成基于压缩机的电机的转速与表征电机的输入或输出的参数的值范围之间的对应关系，确定与压缩机的转速相对应的当前值范围。控制单元203被配置成基于参数的当前值相对于当前值范围的位置，控制变频器向电机提供的电力以保护所述压缩机。

以下以前述参数为压缩机的电机的输出转矩Tq为例，说明控制装置200的控制原理。

在t时刻，电机以转速r旋转，压缩机的蒸发温度为Te、冷凝温度为Tc。

在每个转速r下，冷凝温度Tc和蒸发温度Te都有一定的取值范围。表示该取值范围的图为作业范围图。图3是一个示例性的压缩机的作业范围图。其表示转速r等于r_t时，工作点W(Te,Tc)的可能位置的范围。工作点W仅能在图中封闭曲线(包络线)之内。对于空调系统的压缩机，每个转速r都对应一个作业范围。

使用每个转速r所对应的作业范围，可以得到所涉及的压缩机的三维作业范围图。该三维作业范围图为一个三维多面体。图4是一个示例性的三维作业范围图，其中，所涉及的三个坐标分别为转速r、蒸发温度Te、冷凝Tc。在图4中，在中间转速，作业范围较大；电机的最小转速为900rpm、最大转速为7200rpm。

在压缩机一定(包括压缩机类型、制冷剂类型)，正常情况下，在转速r下，每个工作点W(Te,Tc)都对应有输出转矩Tq_r。因此，在转速r下，存在最大输出转矩，即转速r下的输出转矩上限Tqu_r。该Tqu_r可以通过计算及实验校准来获得。输出转矩上限Tqu_r的获得方法为现有技术，在此不再赘述。因此根据三维作业范围图，可以得到关于转速的输出转矩上限的曲线图。

一个示例性的关于转速r的输出转矩上限Tqu_r的曲线如图5所示。该曲线的斜率具有转折点r_p，在转折点处，输出转矩上限Tqu_r具有最大值。如果在转速r下，实际输出转矩Tq_r(相当于负载)大于输出转矩上限Tqu_r，对压缩机是不利的，需要作出调整，甚至需要停机，以保护压缩机。如图5中所示，对位于I区的工作点A，可以考虑降低电机的转速以满足负载需要。但是如果工作的在III区，r≤r_p，降低转速也不能有效保护压缩机，此时说明压缩机出现了故障(如，异物堵塞)，继续运行是危险的，需要停止电力供应。

为了使电机尽快回到稳定工作的状态，避免系统振荡，改善用户体验，本公开还规定了转速r下的输出转矩的下限Tql_r。其取值优选为Tqu_r的50％-95％之间值，例如，k*Tqu_r，其中，k＝80％。对一压缩机，对每个转速r，该比例可以不同，以达到更好的控制效果，其中k可以根据经验来确定。当工作点在Tqu_r与Tql_r之间时，保持当前电力供应，即保持当前转速；当工作点在IIa区时，将当前转速调节到原始命令转速r_o。需要注意的是，原始命令转速r_o是与环境温度有关的，不是固定不变的。

图6是根据本公开的一个实施例的用于空调系统的变频器的方法600的流程图。方法600适用于控制装置1031的控制逻辑。

在步骤601，向电机供应电力，以使电机以转速r旋转。例如转速r_o旋转。

在步骤603，确定是否发生以下情况：多次Tq_r≥Tqu_r。具体而言，是在多个时间点，确定当时的转速r下，是否满足Tq_r≥Tqu_r，是否这样的关系发生了多次。若步骤603的判断结果为“是”，则进行步骤605，若判断结果为“否”，则进行步骤611。在本步骤中，多次可以是指1-200次之间的某个次数，例如，10次、15次、50次等。多次判断大小关系，可以抑制转速的上下波动，使其尽快达到稳定。

针对内置式永磁同步电机，转速r下的实际输出转矩Tq_r可以用公式(1)得出。

其中，L_d、L_q分别为d轴和q轴的电感，i_d、i_q分别为d轴和q轴的电流，ψ_f为转子的永磁磁链，n_p为电机极对数。

为了保证实际输出转矩Tq_r的准确性，可以根据实验测量结果对公式(1)进行修正。

控制装置可以包括第一获取单元，第一获取单元用于获取实际输出转矩Tq_r的值。

在转速r下的输出转矩上限Tqu_r，可以通过查找第一参数范围表，或查找第一参数范围表并插值来确定所述当前值范围的上限值。具体而言，可以在控制装置内存储第一参数范围表。第一参数范围表包括字段：转速、输出转矩上限。得到输出转矩上限Tqu_r的过程包括：利用控制装置的第二获取单元获取在电机的当前转速r；在第一参数范围表中查找转速r所对应的输出转矩上限Tqu_r，若工作表中存在转速等于r的记录，则直接获得其对应的输出转矩上限Tqu_r，若不存在，则读取转速最接近r的若干行的记录，进行插值计算，获得转矩r对应的输出转矩上限Tqu_r。可以设置第三获取单元，用于获取输出转矩上限Tqu_r的当前值。

替选地，输出转矩上限Tqu_r的获取也可以通过如下方式进行：对获得的r-Tqu_r曲线进行拟合(例如，多项式拟合)，获得函数Tqu_r＝f_u(r)，存储函数f_u(r)，需要获取输出转矩上限Tqu_r时，给定转速r，则根据f_u(r)就可以得出相应的输出转矩上限Tqu_r。

在步骤605，确定是否r>r_p。若判断结果为“否”，则进行步骤607，若判断结果为“是”，则进行步骤609。参见图5，预定转速r_p为输出转矩值范围的上限值的关于电机的转速的曲线中，斜率转折点所对应的转速。

在步骤607，停止向电机提供电力。这这种情况下，压缩机可能发生堵塞，通过调节转速，也不能有效保护压缩机，因此，停止电力供应可以防止压缩机损坏。停机后，可以进行维修。

在步骤609，改变变频器向电机提供的电力以按预定步长减小当前转速。预定步长为1-200转/秒。例如，3转/秒，即，执行步骤609后，转速减小了3转/秒(例如先前转速为100转/秒，减速后，转速为97转/秒)。执行步骤609后，返回至步骤603。

在步骤611，确定是否发生以下情况：多次Tq_r<Tql_r。在本步骤中，多次可以是指1-200次之间的某个次数，例如，10次、15次、50次等。对步骤611，具体而言，是在多个时间点，确定当时的转速r下，是否满足Tq_r<Tql_r，是否发生这样的情况多次。若步骤611的判断结果为“是”，则进行步骤613，若判断结果为“否”，则进行步骤615。

在转速r下的输出转矩下限Tql_r，可以通过查找第二参数范围表，或查找第二参数范围表并插值来确定所述当前值范围的下限值。具体而言，可以在控制装置内存储第二参数范围表。第二参数范围表包括字段：转速和输出转矩下限。得到输出转矩下限Tql_r的过程包括：利用控制装置的第二获取单元获取在电机的当前转速r；在第二参数范围表中查找转速r所对应的Tql_r，若工作表中存在转速等于r的记录，则直接获得其对应的输出转矩下限Tql_r，若不存在，则读取转速最接近r的若干行的记录，进行插值计算，获得转速r对应的输出转矩下限Tql_r。可以设置第四获取单元，用于获取输出转矩下限Tql_r的当前值。优选地，第一参数范围表和第二参数范围表是同一参数范围表，该参数范围表包括字段：转速、输出转矩上限和输出转矩下限。

替选地，输出转矩下限Tql_r的获取也可以通过如下方式进行：对获得的r-Tql_r曲线进行拟合(例如，多项式拟合)，获得函数Tql_r＝f_l(r)，存储函数f_l(r)，需要获取输出转矩下限Tql_r时，给定转速r，则根据f_l(r)就可以得出相应的输出转矩下限Tql_r。

在步骤613，将转速r调节到r_o。

在步骤615，保持当前电力供应，即向电机提供的电力不变，保持电机的转速。执行步骤615后，返回至步骤603。

利用上述控制逻辑，可以使：图5中的位于I区的工作点A降低转速，进入Obj区的oa区；oa区的工作点工作状态能够得到保持；II区的IIa区的工作点B升速进入Obj区的oa区；当工作点位于III区时，停止电力供应，以保护压缩机；对ob区的工作点，其工作状态也会得到保持。可选的，也可以调整步骤613，使得对IIb区的工作点，其工作状态也得到保持。

可见，利用上述控制逻辑：工作点趋向于在预定安全工作范围oa区内；当外部参数发生变化(例如负载增加)而使工作点位于oa区上方时，控制装置在可能的情况下，将使工作点折返回到oa区。即本公开中的用于空调系统的变频器的方法是一种折返控制方法。

由于Tq_r与电机的输入电流i、电机的输入电压V和电机的输入PWM占空比C有对应关系，且增减趋势一致，所以图5、6中的Tq也可以替换为电机的输入电流i、电机的输入电压V和电机的输入PWM占空比C。例如，利用i-r图，控制变频器向所述电机提供的电力以保护压缩机。即，确定单元可以被配置成基于压缩机的电机的转速与表征电机的输入或输出的参数的值范围之间的对应关系，确定与压缩机的电机的当前转速相对应的当前值范围，其中，参数是电机的输出转矩、电机的输入电流、电机的输入电压和电机的输入PWM占空比中的一个。

优选的，在考虑值范围上限时，对冷凝温度作若干摄氏度的补偿。

本公开所述的控制装置可以用配置有微处理器、总线、存储器、输入单元的装置来实现，前述装置例如但不限于：单片机、PLC或计算机。

本发明所公开的方法和装置，至少具有以下有益技术效果之一：保护压缩机和电机，保证它们在安全范围内作业；自动调整电机的转速和电力输入，避免发生故障跳闸、过载，保护空调系统的关键组件；在允许的情况下自动恢复原始命令转速；无需传感器，成本低。

尽管上面已经通过对本发明的具体实施例的描述对本发明进行了披露，但是，应该理解，本领域的技术人员可在所附权利要求的精神和范围内设计对本发明的各种修改、改进或者等同物。这些修改、改进或者等同物也应当被认为包括在本发明的保护范围内。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

此外，本发明的各实施例的方法不限于按照说明书中描述的或者附图中示出的时间顺序来执行，也可以按照其他的时间顺序、并行地或独立地执行。因此，本说明书中描述的方法的执行顺序不对本发明的技术范围构成限制。

Claims (20)

1.一种用于空调系统的变频器的控制装置，所述变频器适于向所述空调系统的压缩机的电机提供电力以使所述电机旋转，所述控制装置包括：

确定单元，其被配置成基于所述压缩机的电机的转速与表征所述电机的输入或输出的参数的值范围之间的对应关系，确定与所述压缩机的电机的当前转速相对应的当前值范围；以及

控制单元，其被配置成基于所述参数的当前值相对于所述当前值范围的位置，控制所述变频器向所述电机提供的电力以保护所述压缩机。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述参数是所述电机的输出转矩、所述电机的输入电流、所述电机的输入电压和所述电机的输入PWM占空比中的一个。

3.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述控制单元进一步被配置成：在所述当前值多次大于或等于其对应转速下的所述值范围的上限值情况下，

若所述当前转速大于预定转速，则改变所述变频器向所述电机提供的电力以按预定步长减小所述当前转速，否则停止向所述电机提供电力；

其中，所述预定转速为所述值范围上限值的关于所述电机的转速的曲线中，斜率转折点所对应的转速。

4.根据权利要求3所述的控制装置，其中，所述预定步长为1-200转/秒。

5.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述控制单元进一步被配置成：在所述当前值不满足多次大于或等于其对应转速下的所述值范围的上限值的情况下，

若所述当前值多次小于其对应的转速下的所述值范围的下限值，则改变所述变频器向所述电机提供的电力以将所述当前转速调节到原始命令转速，否则保持当前电力供应；

其中，所述原始命令转速为所述空调系统的控制器发出的根据室内外温度计算得到的期望转速。

6.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述值范围的下限值在所述值范围的上限值的50％-95％之间。

7.根据权利要求3或5所述的控制装置，其中，所述多次为1-200次。

8.根据权利要求1所述的控制装置，其中，确定与所述压缩机的电机的当前转速相对应的当前值范围包括：

通过查找参数范围表，或查找参数范围表并插值来确定所述当前值范围的上限值和下限值。

9.根据权利要求1所述的控制装置，还包括：第一获取单元，其被配置为获取所述参数的当前值。

10.根据权利要求1所述的控制装置，还包括：第二获取单元，其被配置为获取所述电机的当前转速。

11.一种用于空调系统的变频器的方法，所述变频器适于向所述空调系统的压缩机的电机提供电力以使所述电机旋转，所述方法包括：

基于所述压缩机的电机的转速与表征所述电机的输入或输出的参数的值范围之间的对应关系，确定与所述压缩机的电机的当前转速相对应的当前值范围；以及

基于所述参数的当前值相对于所述当前值范围的位置，控制所述变频器向所述电机提供的电力以保护所述压缩机。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述参数是所述电机的输出转矩、所述电机的输入电流、所述电机的输入电压和所述电机的输入PWM占空比中的一个。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，控制所述变频器向所述电机提供的电力以保护所述压缩机包括：在所述当前值多次大于或等于其对应转速下的所述值范围的上限值情况下，

若所述当前转速大于预定转速，则改变所述变频器向所述电机提供的电力以按预定步长减小所述当前转速，否则停止向所述电机提供电力；

其中，所述预定转速为所述参数关于所述电机的转速的曲线中，斜率转折点所对应的转速。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述预定步长为1-200转/秒。

15.根据权利要求11所述的方法，其中，控制所述变频器向所述电机提供的电力以保护所述压缩机包括：在所述当前值不满足多次大于或等于其对应转速下的所述值范围的上限值的情况下，

若所述当前值多次小于其对应的转速下的所述值范围的下限值，则改变所述变频器向所述电机提供的电力以将所述当前转速调节到原始命令转速，否则保持当前电力供应；

其中，所述原始命令转速为所述空调系统的控制器发出的根据室内外温度计算得到的期望转速。

16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述值范围的下限值在所述值范围的上限值的50％-95％之间。

17.根据权利要求13或15所述的方法，其中，所述多次为1-200次。

18.根据权利要求11所述的方法，其中，确定与所述压缩机的电机的当前转速相对应的当前值范围包括：

通过查找参数范围表，或查找参数范围表并插值来确定所述当前值范围的上限值和下限值。

19.根据权利要求11所述的方法，还包括：获取所述参数的当前值。

20.根据权利要求11所述的方法，还包括：获取所述电机的当前转速。

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